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什么是机器人?

发布日期:2020-04-28  浏览次数:14150
核心提示:华夏装备制造网与机器人

机器人(Robot)是一种能够半自主或全自主工作的智能机器,具有感知、决策、执行等基本特征,可以辅助甚至替代人类完成危险、繁重、复杂的工作,提高工作效率与质量,服务人类生活,扩大或延伸人的活动及能力范围。
定义
1920年,捷克作家卡雷尔·凯佩克(Karel Capek)发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。在剧本中,凯佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”,“Robota”是奴隶的意思。该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响,引起了人们的广泛关注,被当成了“机器人”一词的起源。在该剧中,机器人按照其主人的命令默默地工作,没有感觉和感情,以呆板的方式从事繁重的劳动。后来,罗萨姆公司取得了成功,使机器人具有了感情,导致机器人的应用部门迅速增加。在工厂和家务劳动中,机器人成了必不可少的成员。机器人发觉人类十分自私和不公正,终于造反了,机器人的体能和智能都非常优异,因此消灭了人类。但是机器人不知道如何制造它们自己,认为它们自己很快就会灭绝,所以它们开始寻找人类的幸存者,但没有结果。最后,一对感知能力优于其他机器人的男女机器人相爱了。这时机器人进化为人类,世界又起死回生了。
凯佩克提出的是机器人的安全、感知和自我繁殖问题。科学技术的进步很可能引发人类不希望出现的问题。虽然科幻世界只是一种想象,但人类社会将可能面临这种现实。
为了防止机器人伤害人类,1950年科幻作家阿西莫夫(Asimov)在《我是机器人》一书中提出了“机器人三原则”:  
① 器人必须不伤害人类,也不允许它见人类将受到伤害而袖手旁观;
②机器人必须服从人类的命令,除非人类的命令与第一条相违背;  
③机器人必须保护自身不受伤害,除非这与上述两条相违背。
这三条原则,给机器人社会赋以新的伦理性。至今,它仍会为机器人研究人员、设计制造厂家和用户提供十分有意义的指导方针。  
1967年日本召开的第一届机器人学术会议上,人们提出了两个有代表性的定义。一是森政弘与合田周平提出的:“机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等7个特征的柔性机器”。从这一定义出发,森政弘又提出了用自动性、智能性、个体性、半机械半人性、作业性、通用性、信息性、柔性、有限性、移动性等10个特性来表示机器人的形象;另一个是加藤一郎提出的,具有如下3个条件的机器可以称为机器人:  
② 有脑、手、脚等三要素的个体;  
②具有非接触传感器(用眼、耳接受远方信息)和接触传感器;
③具有平衡觉和固有觉的传感器。  
该定义强调了机器人应当具有仿人的特点,即它靠手进行作业,靠脚实现移动,由脑来完成统一指挥的任务。非接触传感器和接触传感器相当于人的五官,使机器人能够识别外界环境,而平衡觉和固有觉则是机器人感知本身状态所不可缺少的传感器。  
美国机器人工业协会给出的定义是:机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置,通过可编程动作来执行各种任务,并具有编程能力的多功能操作机。  
日本工业机器人协会给出的定义是:机器人是一种带有记忆装置和末端执行器的、能够通过自动化的动作而代替人类劳动的通用机器。
国际标准化组织对机器人的定义是:机器人是一种能够通过编程和自动控制来执行诸如作业或移动等任务的机器。  
我国科学家对机器人的定义是:机器人是一种自动化的机器,所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力,如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力,是一种具有高度灵活性的自动化机器。  
随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深,机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点,人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器人。现在虽然还没有一个严格而准确的机器人定义,但是我们希望对机器人的本质做些把握:机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥,又可以运行预先编排的程序,也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类的工作。它是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物,在工业、医学、农业、服务业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。  
分类
关于机器人的分类,国际上没有制定统一的标准,从不同的角度可以有不同的分类。
(1)按照机器人的发展阶段分类  
①第一代机器人:示教再现型机器人。1947年,为了搬运和处理核燃料,美国橡树岭国家实验室研发了世界上第一台遥控的机器人。1962年美国又研制成功PUMA通用示教再现型机器人,这种机器人通过一个计算机,来控制一个多自由度的机械,通过示教存储程序和信息,工作时把信息读取出来,然后发出指令,这样机器人可以重复地根据人当时示教的结果,再现出这种动作。比方说汽车的点焊机器人,它只要把这个点焊的过程示教完以后,它总是重复这样一种工作。  
②第二代机器人:感觉型机器人。示教再现型机器人对于外界的环境没有感知,这个操作力的大小,这个工件存在不存在,焊接的好与坏,它并不知道,因此,在20世纪70年代后期,人们开始研究第二代机器人,叫感觉型机器人,这种机器人拥有类似人在某种功能的感觉,如力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉等,它能够通过感觉来感受和识别工件的形状、大小、颜色。  
③第三代机器人:智能型机器人。20世纪90年代以来发明的机器人。这种机器人带有多种传感器,可以进行复杂的逻辑推理、判断及决策,在变化的内部状态与外部环境中,自主决定自身的行为。  
(2)按照控制方式分类   
①操作型机器人:能自动控制,可重复编程,多功能,有几个自由度,可固定或运动,用于相关自动化系统中。
②程控型机器人:按预先要求的顺序及条件,依次控制机器人的机械动作。
③示教再现型机器人:通过引导或其他方式,先教会机器人动作,输入工作程序,机器人则自动重复进行作业。  
④数控型机器人:不必使机器人动作,通过数值、语言等对机器人进行示教,机器人根据示教后的信息进行作业。
⑤感觉控制型机器人:利用传感器获取的信息控制机器人的动作。  
⑥适应控制型机器人:机器人能适应环境的变化,控制其自身的行动。  
⑦学习控制型机器人:机器人能“体会”工作的经验,具有一定的学习功能,并将所“学”的经验用于工作中。
⑧ 智能机器人:以人工智能决定其行动的机器人。
(3)从应用环境角度分类  
目前,国际上的机器人学者,从应用环境出发将机器人分为两类:制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人。
我国的机器人专家从应用环境出发,将机器人也分为两大类,即工业机器人和特种机器人。这和国际上的分类是一致的。工业机器人是指面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人,包括:服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人等。在特种机器人中,有些分支发展很快,有独立成体系的趋势,如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。
工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动;圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作;球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩;关节型的臂部有多个转动关节。  
工业机器人按执行机构运动的控制机能,又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位,适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业;连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动,适用于连续焊接和涂装等作业。
工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件,通过RS-232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。示教输入型的示教方法有两种:一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒),将指令信号传给驱动系统,使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍;另一种是由操作者直接领动执行机构,按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时,工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时,控制系统从程序存储器中检出相应信息,将指令信号传给驱动机构,使执行机构再现示教的各种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。  
(4)按照机器人的运动形式分类  
①直角坐标型机器人 这种机器人的外形轮廓与数控镗铣床或三坐标测量机相似。3个关节都是移动关节,关节轴线相互垂直,相当于笛卡儿坐标系的x、y和z轴。它主要用于生产设备的上下料,也可用于高精度的装卸和检测作业。这种形式主要特点如下。  
a.结构简单,直观,刚度高。多做成大型龙门式或框架式机器人。
b. 3个关节的运动相互独立,没有耦合,运动学求解简单,不产生奇异状态。采用直线滚动导轨后,速度和定位精度高。
c.工件的装卸、夹具的安装等受到立柱、横梁等构件的限制。  
d.容易编程和控制,控制方式与数控机床类似。
e.导轨面防护比较困难。移动部件的惯量比较大,增加了驱动装置的尺寸和能量消耗,操作灵活性较差。  
②圆柱坐标型机器人这种机器人以θ、z和r为参数构成坐标系。手腕参考点的位置可表示为P=f(θ,z,r)。其中,r是手臂的径向长度,θ是手臂绕水平轴的角位移,z是在垂直轴上的高度。如果r不变,操作臂的运动将形成一个圆柱表面,空间定位比较直观。操作臂收回后,其后端可能与工作空间内的其他物体相碰,移动关节不易防护。
③球(极)坐标型机器人 如图1-3所示,腕部参考点运动所形成的最大轨迹表面是半径为r的球面的一部分,以θ、φ、r为坐标,任意点可表示为P=f(θ,φ,r)。这类机器人占地面积小,工作空间较大,移动关节不易防护。
④平面双关节型机器人(selective compliance assembly robot arm,SCARA) SCARA机器人有3个旋转关节,其轴线相互平行,在平面内进行定位和定向,另一个关节是移动关节,用于完成末端件垂直于平面的运动。手腕参考点的位置是由两旋转关节的角位移φ1、φ2和移动关节的位移z决定的,即P=f(φ1,φ2,z)。这类机器人结构轻便、响应快。例如Adept I型SCARA机器人的运动速度可达10m/s,比一般关节式机器人快数倍。它最适用于平面定位,而在垂直方向进行装配的作业。  
⑤关节型机器人 这类机器人由2个肩关节和1个肘关节进行定位,由2个或3个腕关节进行定向。其中,一个肩关节绕铅直轴旋转,另一个肩关节实现俯仰,这两个肩关节轴线正交,肘关节平行于第二个肩关节轴线。这种构形动作灵活,工作空间大,在作业空间内手臂的干涉最小,结构紧凑,占地面积小,关节上相对运动部位容易密封防尘。这类机器人运动学较复杂,运动学反解困难,确定末端件执行器的位姿不直观,进行控制时,计算量比较大。
(5)按照机器人移动性来分类
可分为半移动式机器人(机器人整体固定在某个位置,只有部分可以运动,例如机械手)和移动机器人。
随着机器人的不断发展,人们发现固定于某一位置操作的机器人并不能完全满足各方面的需要。因此,20世纪80年代后期,许多国家有计划地开展了移动机器人技术的研究。所谓的移动机器人,就是一种具有高度自主规划、自行组织、自适应能力,适合于在复杂的非结构化环境中工作的机器人,它融合了计算机技术、信息技术、通信技术、微电子技术和机器人技术等。移动机器人具有移动功能,在代替人从事危险、恶劣(如辐射、有毒等)环境下作业和人所不及的(如宇宙空间、水下等)环境作业方面,比一般机器人有更大的机动性、灵活性。
(6)按照机器人的移动方式来分类
可分为轮式移动机器人、步行移动机器人(单腿式、双腿式和多腿式)、履带式移动机器人、爬行机器人、蠕动式机器人和游动式机器人等类型。
(7)按照机器人的功能和用途来分类  
可分为医疗机器人、军用机器人、海洋机器人、助残机器人、清洁机器人和管道检测机器人等。
(8)按照机器人的作业空间分类
可分为陆地室内移动机器人、陆地室外移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机器人等。
技术参数
技术参数是机器人制造商在产品供货时所提供的技术数据。不同的机器人其技术参数不一样,而且各厂商所提供的技术参数项目和用户的要求也不完全一样。但是,机器人的主要技术参数一般都应有:自由度、定位精度和重复定位精度、工作范围、最大工作速度、承载能力等。
(1)自由度
自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目,不包括手爪(末端操作器)的开合自由度。在三维空间中描述一个物体的位姿需要6个自由度。但是,机器人的自由度是根据其用途而设计的,可能少于6个自由度,也可能多于6个自由度。例如,A4020型装配机器人具有4个自由度,可以在印制电路板上接插电子器件;PUMA562型机器人具有6自由度,可以进行复杂空间曲面的弧焊作业。从运动学的观点看,在完成某一特定作业时具有多余自由度的机器人,就叫作冗余自由度机器人,亦可简称冗余度机器人。例如PUMA562机器人去执行印制电路板上接插电子器件的作业时,就成为冗余度机器人。利用冗余的自由度可以增加机器人的灵活性、躲避障碍物和改善动力性能。人的手臂(大臂,小臂,手腕)共有7个自由度,所以工作起来很灵巧,手部可回避障碍物从不同方向到达同一个目的点。
大多数机器人从总体上看是个开链机构,但其中可能包含有局部闭环机构。闭环机构可提高刚性,但限制了关节的活动范围,因而会使工作空间减小。
(2)定位精度和重复定位精度  
机器人精度包括定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置的差异。重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力,可以用标准偏差这个统计量来表示。它是衡量一系列误差值的密集度,即重复度。
机器人操作臂的定位精度是根据使用要求确定的,而机器人操作臂本身所能达到的定位精度,取决于定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚度、驱动方式、缓冲方法等因素。
工艺过程的不同,对机器人操作臂重复定位精度的要求也不同。不同工艺过程所要求的定位精度。
当机器人操作臂达到所要求的定位精度有困难时,可采用辅助工夹具协助定位的办法,即机器人操作臂把被抓取物体送到工、夹具进行粗定位,然后利用工、夹具的夹紧动作实现工件的最后定位。这种办法既能保证工艺要求,又可降低机器人操作臂的定位要求。  
(3)工作范围  
工作范围是指机器人操作臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合,也叫做工作区域。因为末端执行器的形状和尺寸是多种多样的,为了真实反映机器人的特征参数,所以是指不安装末端执行器时的工作区域。工作范围的形状和大小是十分重要的。机器人在执行某一作业时,可能会因为存在手部不能到达的作业死区(dead zone)而不能完成任务。
机器人操作臂的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作运动的轨迹往往是几个动作合成的,在确定工作范围时,可将运动轨迹分解成单个动作,由单个动作的行程确定机器人操作臂的最大行程。为便于调整,可适当加大行程数值。各个动作的最大行程确定之后,机器人操作臂的工作范围也就定下来了。  
(4)最大工作速度
通常指机器人操作臂末端的最大速度。提高速度可提高工作效率,因此提高机器人的加速减速能力,保证机器人加速减速过程的平稳性是非常重要的。
(5)承载能力  
承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。机器人的载荷不仅取决于负载的质量,而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。为了安全起见,承载能力是指高速运行时的承载能力。通常,承载能力不仅要考虑负载,而且还要考虑机器人末端操作器的质量。
(6)运动速度
机器人或机械手各动作的最大行程确定之后,可根据生产需要的工作节拍分配每个动作的时间,进而确定各动作的运动速度。如一个机器人操作臂要完成某一工件的上料过程,需完成夹紧工件,手臂升降、伸缩、回转等一系列动作,这些动作都应该在工作节拍所规定的时间内完成。至于各动作的时间究竟应如何分配,则取决于很多因素,不是一般的计算所能确定的。要根据各种因素反复考虑,并试作各动作的分配方案,进行比较平衡后,才能确定。节拍较短时,更需仔细考虑。  
机器人操作臂的总动作时间应小于或等于工作节拍。如果两个动作同时进行,要按时间较长的计算。一旦确定了最大行程和动作时间,其运动速度也就确定下来了。
分配各动作时间应考虑以下要求。
① 定的运动时间应大于电气、液(气)压元件的执行时间。  
②伸缩运动的速度要大于回转运动的速度。因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性。机器人或机械手升降、回转及伸缩运动的时间要根据实际情况进行分配。如果工作节拍短,上述运动所分配的时间就短,运动速度就一定要提高。但速度不能太高,否则会给设计、制造带来困难。在满足工作节拍要求的条件下,应尽量选取较低的运动速度。机器人或机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系,应根据具体情况加以确定。
③在工作节拍短、动作多的情况下,常使几个动作同时进行。为此,驱动系统要采取相应的措施,以保证动作的同步。  
应用
1 医疗行业的应用  
在医疗行业中,许多疾病都不能只靠口服外敷药物治疗,只有将药物直接作用于病灶上或是切除病灶才能达到治疗的效果,现代医疗手段最常使用的方法就是手术,然而人体生理组织有许多极为复杂精细而又特别脆弱的地方,人的手动操作精度不足以安全的处理这些部位的病变,但是这些部位的疾病都是非常危险的,如果不加以干预,后果是非常致命的。   
随着科技的进展,这些问题逐渐得到解决,微型机器人的问世为这一问题提供了解决的方法,微型机器人由高密度纳米集成电路芯片为主体,拥有不亚于大型机器人的运算能力和工作能力且可以远程操控,其微小的体积可以进入人的血管,并在不对人体造成损伤的情况下进行治疗和清理病灶。还可以实时的向外界反馈人体内部的情况,方便医生及时做出判断和制定医疗计划。有些疾病的检查和治疗手段会给患者造成大量的痛苦,比如胃镜,利用微型机器人就可以在避免增加患者痛苦的前提下完成身体内部的健康检查。目前制约微型机器人发展的关键因素在于成本非常昂贵,稀有金属的替代品的寻找将成为未来发展的重要方向。
2 军事行业的应用
将机器人最早应用于军事行业始于二战时期的美国,为了减少人员的伤亡,作战任务执行前都会先派出侦查无人机到前方打探敌情。在两军作战的时候,能够先一步了解敌人的动向要比单纯增加兵力有用得多。随着科技的进步,战争机器人在军事领域的应用越来越广泛,从最初的侦查探测逐渐拓展到战斗和拆除行动。利用无人机制敌于千里之外成为军事战略的首选,拆弹机器人可以精确的拆弹排弹,避免了拆弹兵在战斗中的伤亡。拥有完备的军事机器人系统逐渐成为一个现代强国必不可少的发展部分。  
3 教育行业的应用
教育机器人是一个新兴的概念,多年来,机器人领域的技术发展研究方向都是如何应用于生活中代替人们完成体力或是危险工作,而教育机器人则是以机器人为媒介,对人进行教育或是对机器人进行编程完成学习目标。教育机器人作为一个新兴产业,发展非常迅速,其主要形式为一些机器人启蒙教育工作室,对儿童到青年不同的人群进行机器人组装调试编程控制等方面的教学。大型的教育机器人公司也会承办一些从小学到大学组的机器人竞赛,通常包含窄足、交叉足场地竞步,体操表演比赛。对于机器人的推广有着极为重要的作用。   
4 生产生活的应用  
工厂制造业的发展历程十分久远,最初的工厂都是以手工业为主,后来逐渐发展成手工与机床结合的生产方式。现代社会的供给需求对生产力的要求越来越高,工厂对于人力成本方面的问题也一直难以攻克,尤其对于工作人员的管理和安全保障是最为难办的问题。对于一些会产生有毒有害气体粉尘或是有些爆炸和触电风险的工作场合,机械臂凭借着良好的仿生学结构可以代替人手完成几乎全部的动作。为了适应大规模的批量生产,零散的机械臂逐渐发展组合成完整的生产流水线,工人只需要进行简单的操作和分拣包装,其余的工作全部都由生产流水线自动完成。
随着技术的成熟,机器人和人们的生活的关系越来越密切,智能家居成为当下非常热门的话题,扫地机器人算是智能家居推广的先行者,将机器人技术引入住宅可以使生活更加安全舒心,尤其家里有老人和儿童,智能的家居和家政机器人可以起到自动操作调整模式并保障安全的作用。
机器人产业
上海机器人产业规模已达60-70亿人民币,在全国名列第一。国际上机器人领域排名前四的ABB、FANUC、KUKA、安川等均在上海设有机构。ABB机器人事业总部已落户上海,机器人的年产量达6000台,KUKA上月在松江的新工厂已开工,预计到2015年产能可达5000台。上海将拓展机器人系统集成应用,使上海发展成为我国最大的机器人产业基地、机器人核心技术研发中心、高端制造中心、服务中心和应用中心。  
人学实验室
沈阳自动化所
机器人学国家重点实验室(State Key Laboratory of Robotics)依托于中国科学院沈阳自动化研究所,前身是中国科学院机器人学开放实验室。该实验室是中国机器人学领域最早建立的部门重点实验室,中国机器人学领域著名科学家蒋新松院士1989-1997年曾任实验室主任。近二十年来,实验室在机器人学基础理论与方法研究方面与国际先进水平同步发展,并在机器人技术前沿探索和示范应用等方面取得一批有重要影响的科研成果,充分显示出实验室具有解决国家重大科技问题的能力。中国在沈阳浑南技术开发区的“新松机器人”公司即是中国的该科研领域的基地。该实验室机器人学研究总体水平在国内相关领域处于核心和带头地位,是国内外具有重要影响的机器人学研究基地。
实验室定位于为中国经济和社会发展、国家安全和重大科学工程提供所需要的机器人技术与系统,研究机器人学基础理论与方法、发展可行技术和平台样机系统,培养和汇聚从事机器人学研究的高水平人才,推动中国先进机器人技术与系统的可持续发展。主要面向发展具有感知、思维和动作能力的先进机器人系统,研究机器人学基础理论方法、关键技术、机器人系统集成技术和机器人应用技术。  
实验室坚持对外开放,吸引国内外专家学者开展交流与合作研究。通过设立基金课题,实验室与国内有关从事机器人学研究的近30所大学、研究所和企业建立了联系,几乎涵盖国内从事机器人学研究的所有单位。实验室结合自身的发展方向,有针对性地与国内外知名科研团队建立合作关系。这些合作,对于本实验室加强学科建设、了解国家需求、建立有针对性的演示验证系统,发挥了重要作用。
 
 

 

 
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